隧道噪聲傳播擴散規(guī)律及其檢測方案探討

陳立平， 方繼偉， 干嘯洪， 張守龍， 李芹子， 黃 俊

(1. 寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司， 浙江 寧波 315124;2. 蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

隧道噪聲傳播擴散規(guī)律及其檢測方案探討

陳立平1， 方繼偉1， 干嘯洪1， 張守龍1， 李芹子1， 黃 俊2

(1. 寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司， 浙江 寧波 315124;2. 蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

隧道噪聲是影響行車環(huán)境和安全的重要因素，掌握其傳播擴散規(guī)律是開展噪聲控制的前提和依據。通過理論與實測相結合的方法對隧道噪聲大小、分布規(guī)律、混響時間及頻譜特性進行研究，并對隧道檢測方案進行探討。研究結果表明： 1)隧道噪聲大小在空間分布具有一定的規(guī)律性，沿縱向呈中間高兩端低的分布規(guī)律，且在隧道進口前50 m增加迅速； 2)隧道橫斷面內的直達聲是噪聲的主要來源，一次反射聲在其聲聚焦處對噪聲影響巨大，而混響聲則惡化了隧道內的整體噪聲情況； 3)隧道內噪聲主要是中低頻噪聲且呈現明顯的雙峰狀，低頻和中頻峰值分別出現在100 Hz和1 200 Hz附近； 4)隧道混響時間與隧道斷面形狀、邊界平均吸聲系數以及噪聲頻率有關，周長面積比越大、吸聲系數越大以及噪聲頻率越高都會使得混響時間變?。?5)隧道噪聲檢測參數應包含A計權聲壓、噪聲頻譜特性和混響時間，具體測點布置應綜合考慮隧道長度和橫斷面形式，并結合當前技術手段科學制定。

隧道噪聲； 頻譜特性； 混響時間； 檢測方案

0 引言

隧道內噪聲對環(huán)境影響不容忽視，直接影響到人們的身心健康，也是影響隧道行車環(huán)境和安全的重要污染源之一[1-3]。隧道具有其獨特的聲環(huán)境特點，一方面，半封閉的隧道環(huán)境使噪音難以快速消散，并且經壁面多次反射和疊加，產生相對于開放空間更大的噪音值，且混響時間長(音箱效應)，極易使人產生煩躁和緊張等情緒，嚴重影響交通環(huán)境和安全[4]；另一方面，隧道口對噪聲具有放大和擴散效應(又稱喇叭效應)，對隧道出入口附近區(qū)域產生長期困擾。

有關隧道聲環(huán)境方面的研究成果較多，如肖上平等[5]、黃俊等[6]通過實測手段對隧道內外噪聲進行研究，對隧道噪聲環(huán)境進行了定性分析。凌天清等[7]、余海燕等[8]對隧道降噪新型材料及其聲學特性進行研究，為隧道降噪材料的研制和選取提供了參考依據。文獻[9-11]利用理論分析的方法建立隧道噪聲預測分析模型，成功對隧道內噪聲進行預測。師利明等將波動聲學和房間聲學理論在隧道內噪聲預測方面的應用進行了對比分析，最終選用房間聲學理論進行預測[3,9]。陳興等以湖南省常張高速公路關口隧道為依托，對公路隧道的降噪效果進行了實地研究[1]。此外，有關隧道內降噪路面及側墻降噪材料的研究也是研究的熱點[12]。當前我國隧道建設過程中因防火需求，通常不考慮降噪設計，最新的《公路隧道設計規(guī)范》也無公路隧道聲學設計方面的規(guī)定。隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高以及“綠色建筑”概念的提出，隧道噪聲問題也逐漸被人們所重視和關注。一些隧道已開展了相應的降噪設計和處理，如南京玄武湖隧道、湖南常張高速公路關口隧道等?？梢灶A見在今后一段時間，會有越來越多的隧道考慮進行降噪設計或是改造。

雖然對隧道噪聲研究較多，但針對隧道噪聲傳播擴散規(guī)律的認識還不夠清晰，且當前尚缺乏針對隧道聲環(huán)境檢測的相關規(guī)定和說明。本文將對隧道聲環(huán)境特性進行研究并結合實際隧道噪聲監(jiān)測結果及其分布規(guī)律，對隧道工程的聲環(huán)境檢測方案進行探討。

1 隧道內噪聲擴散傳播規(guī)律

1.1 縱向擴散傳播規(guī)律

隧道屬地下細長型結構，該特點使得其內部噪聲擴散和反射有別于普通公路或其他建(構)筑物，主要體現在縱向和橫向2個方面。

在縱向路徑上，隧道噪聲隨聲源位置變化而出現不同的擴散規(guī)律。利用專業(yè)聲學模擬軟件Odeon對一座300 m長的隧道進行模擬，得到汽車通過隧道全過程中縱向噪聲分布規(guī)律，如圖1所示。

(a) 駛入隧道 (b) 通過隧道前段

(c) 通過隧道后段

(d) 駛出隧道

圖1 隧道縱向噪聲傳播擴散規(guī)律

Fig. 1 Propagation rules of noise along longitudinal direction of tunnel

由圖1(a)可知，在車輛接近隧道口附近時，隧道內噪聲強度雖然不大，但衰減程度相較于外部空間?。粓D1(b)表明車輛進入隧道時的情形，此時整個隧道內噪聲強度較高，且隧道進口出現了明顯的“喇叭效應”，噪聲從隧道進口以一定角度向外發(fā)散，且強度較大；圖1(c)是車輛處于隧道中部情況，此時隧道表現出明顯的“音箱效應”，這個隧道處于強噪聲環(huán)境，同時在隧道口也有較為明顯的噪聲擴散；圖1(d)是車輛駛出隧道的情形，此時的情況與車輛駛入時的情況較為相似，隧道出口也出現明顯噪聲擴散。

為了進一步揭示隧道縱向不同位置的噪聲分布規(guī)律，采用聲級計對隧道不同位置的噪聲值進行實地測量。現場氣溫23 ℃，風速2.4 m/s，測試時間段內現場車流量1 456 輛/h，平均車速45 km/h。測點沿隧道縱向每間隔20 m等間距布設，采集探頭放置于隧道邊墻處，高度距路面為1.2 m。測試過程和結果分別如圖2和圖3所示。

(a) 噪聲監(jiān)測

(b) 車速監(jiān)測

圖2 隧道噪聲實測

Fig. 2 Noise detection in tunnel

由于通過測點車流量、車速以及車輛類型具有一定的隨機性，會導致噪聲測試結果出現波動，但噪聲在縱向上的分布規(guī)律還是可以由圖3得到明確的體現： 隧道內噪聲呈現明顯的中間高兩端低的分布特性。在隧道外部，噪聲值為75 dB左右，接近普通公路的交通噪聲；進入隧道后噪聲值快速增加，且在前50 m增加迅速，此后緩慢增加并漸趨穩(wěn)定；到隧道中部時，噪聲接近88 dB，比隧道外部高出近13 dB；此后，隨著距隧道隧道出口距離越近，噪聲逐漸減小，并最終回復到正常水平。

圖3 隧道噪聲縱向分布規(guī)律

Fig. 3 Propagation rules of noise along longitudinal direction of tunnel

1.2 橫向擴散傳播規(guī)律

隧道橫向尺度相對縱向尺度小很多，聲波遇到斷面邊界會在短時間內產生多次反射并疊加，導致隧道內混響時間較長。對于圓弧形隧道斷面，邊界還會對噪聲產生聚焦作用。因此隧道內的噪聲應分2步進行分析： 一是分析直達聲與一次反射聲，此時的噪聲具有較強的指向性，不能通過室內聲學的方法來計算；二是將二次及以上次數的反射聲能視作混響聲能，因為二次及以上反射聲已經不具備十分明顯的指向性和聚焦特性，可以近似地看作擴散聲場。即隧道中的聲壓級為： 直達聲+一次反射聲+混響聲。

由此可以利用matlab軟件編制相應的計算分析程序，實現對隧道橫斷面噪聲傳播擴散規(guī)律的模擬。為了編制程序方便，分析隧道模型橫斷面采用半徑為5 m的標準圓弧。分析計算模型如圖4所示。

圖4 分析計算模型(單位： m)

點聲源在三維空間內的衰減系數為4πr2，在平面內設置一定向外輻射的聲線，其自然衰減系數為2πr，故在此基礎上，每條聲線仍需有2πr的衰減。將此衰減量輸入計算程序進行模擬，得到隧道內因一次反射聲而增加的聲壓級分布見圖5。

圖5 一次反射聲增加的聲壓級分布(單位： dB)

圖5顯示內容并非直接是隧道內一次反射聲聲能分布情況，而是相對于聲源在開闊空間(平直公路)上的一次反射聲對聲壓級的增量。圖5能明顯地反應出隧道邊界對一次反射聲的聚焦效應。利用同樣的方法，對隧道內存在不同聲源情況進行分析。取某時刻存在一輛車和同時存在兩輛車的2種工況，分別得到如圖6和圖7所示的結果。

圖6 單聲源隧道噪聲增量(單位： dB)

圖7 雙聲源隧道噪聲增量(單位： dB)

由圖6和圖7可以看出： 1)在當前情況下，車輛行駛位置(聲源位置)的噪聲值增加不明顯，原因是靠近聲源的地方，直達聲過大，與較小的混響聲能疊加后沒有明顯的變化。2)距離聲源較遠的地方，聲壓級增加十分明顯，最大可達到14 dB。3)一次反射聲的聲聚焦位置也很明顯地在圖中反應，聲聚焦引起的聲壓增量同樣非常顯著。

總的看來，隧道橫斷面內的直達聲是噪聲的主要來源，一次反射聲在其聲聚焦處影響巨大，而混響聲則增加了隧道內的整體噪聲情況。

2 隧道噪聲聲學特性

2.1 頻譜特性

通過現場實測隧道內噪聲頻譜特性可知，隧道內車輛噪聲主要由2部分組成： 發(fā)動機噪聲和輪胎-路面摩擦噪聲。其中發(fā)動機噪聲主要分布在低頻段，從50～250 Hz是發(fā)動機噪聲較大的區(qū)間；而輪胎-路面噪聲集中在中頻段，從500～2 000 Hz，其中最高點出現在1 200 Hz附近。隧道內外噪聲頻率分布如圖8所示。

圖8 隧道噪聲頻譜特性

由圖8可知，隧道內外交通噪聲頻譜特性都呈現明顯的雙峰狀，在100 Hz和1 200 Hz附近分別出現峰值，在隧道內第2峰值要高于隧道外，這也說明若要進行隧道降噪設計，輪胎與路面間的中頻摩擦噪聲是考慮重點。

2.2 混響時間

隧道內混響時間，是用來描述聲音衰減快慢程度的物理量，定義為聲源停止后從初始的聲壓級降低60 dB所需的時間，理論上其值大小與隧道周邊吸聲系數以及斷面周長面積比有關，關系如下：

(1)

(2)

由式(2)可知，隧道內的混響時間與隧道橫斷面周長與面積比以及平均吸聲系數都有關系。周長與面積比越大，混響時間越短；吸聲系數值越大，混響時間越短。隧道內混響時長與吸聲系數與周長面積比之間的關系如圖9所示。

圖9 隧道噪聲混響時間

圖9表示的為平面理想情況，即隧道兩端無反射聲；但在實際情況下，隧道往往不能做到絕對的平直，而且在隧道開口處，由于聲阻抗不匹配，一定會產生反射聲。所以測量值與該計算值會有一定的出入。但上述結果可以表現混響時間與隧道基本參數之間的定性關系。在設計中，可以利用改變隧道橫斷面周長與面積比和平均吸聲系數的方法對隧道內混響時間進行調節(jié)。

實際情況隧道內混響時間較為復雜，且與噪聲頻率密切相關。為了能更好掌握隧道內混響時間與頻率的關系，選取了一座夜間封閉的隧道為測試對象，進行了5個典型斷面的實地測試，測試過程和結果分別如圖10和11所示。

測試過程中利用氣球爆炸聲作為無定向脈沖聲源。

圖10 隧道混響時間測試

Fig. 10 Detection of reverberation time in tunnel

由于60 dB的衰減范圍在實際測量中難以做到，通常按衰減30 dB時間乘以2作為混響時間，本次實驗也采用該方案。測試過程中聲源位于隧道中線，距路面垂直距離為1.2 m；采集探頭位于內側車道中線，與路面垂直距離為1.2 m。

圖11 隧道內混響時間與頻率的關系

Fig. 11 Relationship between reverberation time and noise frequency in tunnel

圖11現場實測結果在前端出現了陡峭的上升段，這主要是由于試驗中聲源產生的低頻聲很少，難以探測。實際關系如圖11中的修正結果所示，即隨著噪聲頻率的升高，混響時間逐漸降低。由圖9理論結果與圖11實測結果對比可知，實測值明顯大于理論值，這主要是由于實際隧道情況與理想狀態(tài)差距較大，也體現了隧道噪聲實測的重要意義。

3 隧道噪聲影響因素分析

影響隧道噪聲測試結果的因素很多，包括測試條件、隧道結構、車型車速及測點位置等。其中測試條件是通常作為是否適合進行測試的判定條件，即只有滿足一定條件才進行測試，否則不能測試。而隧道中的環(huán)境相對比較穩(wěn)定，故在此不進行深入分析。通過對幾座典型隧道內的噪聲實測數據分析，重點對隧道長度、平均車速和車流量對測試結果的影響進行說明。實測結果如表1所示。

表1 測試隧道基本情況

由表1隧道內外噪聲差值結果可知： 正常運營情況下，隧道內外噪聲差值最小的是中山門隧道(4.5 dB)，最高為通濟門隧道(11.7 dB)，平均差值為8.6 dB。差值在平均值以下的3座隧道和平均值以上的3座隧道相比，具有隧道長度相對較短、車速相對較低等明顯特征。

為了進一步研究測點位置、車速以及隧道縱坡對測試結果的影響，以普通小汽車為實驗車輛，在封閉隧道內(無其他外來車輛干擾)分別以40、60、80 km/h的速度進行測試，對于下沉式隧道，在出入口附近路面具有一定的坡度。本次測試對上坡和下坡情況進行了分別考慮，現場情況與測點布設位置如圖12所示，最終得到各測點單車噪聲如圖13所示。

由圖13可知： 1)同一斷面內的不同測點位置以及隧道縱坡對測試結果影響不明顯。2)車速對噪聲的影響較為顯著。車速從40 km/h增大到80 km/h的過程中，最近點A聲級從75 dBA增大到89 dBA。3)在40～80 km時速范圍內，車速每增加1 km/h，噪聲值平均增加0.35 dBA。

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(a) 測試現場

(b) 測試方案

4 隧道聲環(huán)境檢測方案探討

目前，國家暫無專門針對隧道噪聲測量的標準。由于沒有國家規(guī)定的測量方法，加上隧道內部的空間條件限制，利用怎樣的測量方法才能正確反應出隧道內的噪聲值大小，這一問題值得探討。

(a) 車速40 km/h

(b) 車速60 km/h

(c) 車速80 km/h

圖13 不同車速下隧道內單車噪聲

Fig. 13 Detection results of one-vehicle noise in tunnel under different vehicle velocities

4.1 檢測項目

筆者認為，隧道噪聲測試方法可參照交通噪聲測試方法進行，測試點應包括隧道暗埋段、敞開段、隧道口及風機和風塔等位置。測試參數應包含A計權聲壓、混響時間和噪聲頻譜。A計權聲壓可以判斷隧道噪聲大小，將其與平直公路上的噪聲級進行對比，能夠反映出隧道對公路噪聲的增強情況，是研究隧道降噪性能的基礎。此外隧道噪聲頻譜特性和混響時間也應作為必測項目，因為聲頻譜特性是隧道降噪措施制定過程中降噪材料和方案選取的重要前提依據，使降噪方案更具針對性，提高噪聲控制效果；混響時間作為隧道噪聲衰減規(guī)律的綜合參數，能夠反應隧道噪聲疊加程度，通過對比降噪前后隧道混響時間也可以對降噪效果進行定量評價。測試過程中應同時記錄隧道斷面形式、出入口形式、溫度、風速以及設計車速和車流量等信息。

4.2 檢測方案

由于隧道噪聲在縱向和橫向都具有特定的空間分布特性，因此測點布置應綜合考慮隧道長度和橫斷面形式，并結合當前技術手段而制定。

縱向測點應包含隧道外、隧道進口、隧道前端、隧道中部(由前文研究可知，隧道后端和出口情況與隧道前端和進口情況類似，可以不必重復測量)以及隧道橫斷面或縱斷面曲率發(fā)生變化的地方。隧道外測點主要是作為對比基準點，其距離隧道口應大于50 m以上。檢測過程中天氣應良好，風速不大于5 m/s。為減小干擾，橫斷面內測點應布置在距路面高1.2 m處，且距隧道側墻距離為2 m。

在混響時間檢測過程中，應采用專業(yè)無定向脈沖聲源。當現場條件不允許時，也可采用氣球爆炸聲作為替代聲源。測點布置如圖14所示。

圖14 混響時間檢測方案

Fig. 14 Detection scheme for reverberation time

隧道噪聲頻譜特性檢測可在隧道A計權聲壓檢測過程中一并獲取，這里不再贅述。

5 結論與討論

5.1 結論

1)隧道內噪聲沿縱向呈現中間高兩端低的分布規(guī)律，且在隧道入口前50 m增加迅速，此后緩慢增加并漸趨穩(wěn)定，隧道內噪聲相比于隧道外峰值高出近13 dB。

2)隧道橫斷面內的直達聲是噪聲的主要來源，一次反射聲在其聲聚焦處影響巨大，而混響聲則增加了隧道內的整體噪聲情況。隧道內噪聲主要是中低頻噪聲且呈現明顯的雙峰狀，低頻和中頻峰值分別出現在100 Hz和1 200 Hz附近，在隧道內中頻峰值要高于隧道外，這也說明輪胎與路面間的中頻摩擦噪聲是隧道降噪考慮的重點。

3)隧道混響時間與隧道斷面形狀、邊界平均吸聲系數以及噪聲頻率有關。周長與面積比越大、吸聲系數越大以及噪聲頻率越高，都會使混響時間變短。

4)隧道噪聲檢測參數應包含A計權聲壓、噪聲頻譜特性和混響時間，具體測點布置應綜合考慮隧道長度和橫斷面形式，并結合當前技術手段而制定。

5.2 討論

1)當前隧道環(huán)境因素通常作為是否適合進行測試的判定條件，目前尚缺乏相應的隧道噪聲與測試環(huán)境之間的修正方法。隧道噪聲理論上都是有不同車型噪聲的疊加，對隧道內不同車型的噪聲規(guī)律研究具有較大意義和價值，但目前尚難以做到實測，主要是由于實際運營情況下的干擾車輛所致，且很難形成單一車型的車流，后續(xù)研究可借助數值手段進行仿真分析。

2)隧道內同一斷面內的不同測點位置以及隧道縱坡對測試結果影響不明顯，而車速對噪聲的影響較為顯著，故在測試過程中應避開拐彎或陡坡等有可能導致車速起伏路段。隨著隧道降噪工程的實施，后續(xù)有必要針對不同的降噪材料和方案進行效果驗證和對比研究。

3)影響隧道噪聲的因素比較多，如隧道斷面形式、車流量、車型、車速、路面材料以及天氣因素等，很難建立一個系統的分析預測模型，故尚需后續(xù)進一步深入研究。且隧道噪聲實測缺乏有效的規(guī)范性指導，急需研究制定統一的隧道聲環(huán)境檢測與評價規(guī)范或指導性方案。

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Discussion on Propagation Rules and Detection Schemes of Noise in Tunnels

CHEN Liping1, FANG Jiwei1, GAN Xiaohong1, ZHANG Shoulong1, LI Qinzi1, HUANG Jun2

(1. Ningbo Traffic Construction Project Testing and Inspection Center Co., Ltd., Ningbo 315124, Zhejiang, China;2.JiangsuTransportationInstitute，Nanjing210000,Jiangsu,China)

The noise in tunnel affects the driving environment and safety much； as a result, it is very important to study the propagation rules and detection schemes of it. The dB, distribution rules, reverberation time and frequency spectrum characteristics of the noise in tunnel are studied by theoretical calculation and site monitoring； and then the noise detection schemes are discussed. Some conclusions are drawn as follows: 1) The longitudinal distribution rule of dB of noise in tunnel is largest in the middle and smallest at the ends; and the dB of noise in tunnel increases a lot far away tunnel entrance of 50 m. 2) The direct sound is the main source of noise in tunnel within tunnel horizontal cross-section; the first reflected sound has a great influence on noise in tunnel at the focusing point of sound; the acoustic environment in tunnel is worsened by reverberant sound. 3) The main noises in tunnel are medium and low frequency noises and show clear bimodal shapes; the peak values of low frequency noise and medium frequency noise are 100 Hz and 1 200 Hz respectively. 4) The reverberation time in tunnel is related to shape of tunnel cross-section, average sound absorption coefficient of tunnel boundary and noise frequency. The reverberation time decreases with the perimeter-area ratio of tunnel cross-section, sound absorption coefficient of tunnel boundary and noise frequency increase. 5) The A-weighted sound pressure, frequency spectrum characteristics of noise and reverberation time should be included by the detection parameters of noise in tunnel; the tunnel length, shape of tunnel cross-section and technical level should be considered when make arrangement of noise monitoring points.

tunnel noise; frequency spectrum characteristic; reverberation time; detection scheme

2016-08-18；

2016-10-31

陳立平 (1985—)，男，安徽安慶人，2015年畢業(yè)于北京交通大學，地下工程專業(yè)，博士，工程師，主要從事隧道與地下工程方面的研究工作。E-mail: 443270071@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.006

U 45

A

1672-741X(2016)12-1442-07